杨晨光，王秀峰陕西科技大学材料科学与工程学院，西安 710021

摘要: 碳化硅（SiC）材料具有极为优良的物理、化学及电学性能，可满足在高温、高腐蚀等极端条件下的应用，碳化硅还是极端工作条件下微机电系统（MEMS）的主要候选材料，成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点。同时，碳化硅有与硅同属立方晶系的同质异形体，可与硅工艺技术相结合制备出适应大规模集成电路需要的硅基器件，因此用硅晶片作为衬底制备碳化硅薄膜的工作受到研究人员的特别重视。本文综述了近年来国内外硅基碳化硅薄膜的研究现状，就其制备方法进行了系统的介绍，主要包括各种化学气相沉积（Chemical vapor deposition，CVD）法和物理气相沉积（Physical vapor deposition，PVD）法，并归纳了对硅基碳化硅薄膜性能的研究，包括杨氏模量、硬度、薄膜反射率、透射率、发光性能、电阻、压阻、电阻率和电导率等，以及其在微机电系统传感器、生物传感器和太阳能电池等领域的应用，最后对硅基碳化硅薄膜未来的发展进行了展望。

关键词: 硅基碳化硅薄膜化学气相沉积物理气相沉积微机电系统传感器生物传感器太阳能电池

0 引言

碳化硅半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度、高温稳定性、高耐腐蚀性和抗辐射性能等优良的物理、化学及电学性能，成为制造高温、高频、大功率和抗辐射等微电子器件的优选材料。同时，碳化硅还是一种重要的半导体发光材料和极端工作条件下微机电系统的主要候选材料。因此，碳化硅在耐恶劣环境下的优异性能是硅等传统半导体所无法比拟的，已在微电子、光电子等领域得到广泛应用，成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点。同时，因碳化硅有与硅同属立方晶系的同质异形体，可与硅工艺技术相结合制备出适应大规模集成电路需要的硅基器件，因此利用硅晶片作为衬底制备碳化硅的工作受到研究人员的特别重视。

近年来，学者们已对碳化硅材料的制备、性能和器件应用进行了广泛深入的研究。由于碳化硅体多晶制备难度大，成本高，其应用受到限制，学者们对碳化硅材料的研究主要集中在碳化硅薄膜的制备及性能方面。随着对碳化硅薄膜研究的深入，其制备工艺也得到了不断的发展。目前，硅基碳化硅薄膜有多种制备方法，主要分为两大类：化学气相沉积法和物理气相沉积法。其中化学气相沉积法较为常用，其特点是生长温度低、生产批量大、薄膜均匀性好等，但化学气相沉积法制备碳化硅薄膜仍存在一些技术问题，主要有：衬底和碳化硅薄膜间的晶格失配造成缺陷密度较大，薄膜的粘附力差；薄膜的生长和成核机制尚不清楚，难以对其膜层质量进行有效控制；成本相对较高等。而物理气相沉积法制备碳化硅薄膜存在的技术问题主要有沉积速率低、成膜速率慢、成膜过程较难控制、设备复杂、成本高等。这些问题的存在都促使人们对其膜层生长和结构特征等进行更深入的研究。

本文对硅基碳化硅薄膜近年来常用的制备方法进行了总结，主要包括激光化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法、金属有机化学气相沉积法、磁控溅射法、分子束外延法、电子束物理气相沉积法和原子置换法，并归纳了近年来对硅基碳化硅薄膜力学、光学和电学性能的研究及其在微机电系统传感器、生物传感器和太阳能电池等领域的应用，最后对硅基碳化硅薄膜未来的发展进行了展望。

1 SiC 薄膜的制备方法

近年来国内外对硅基 SiC 薄膜制备方法的研究主要集中在化学气相沉积法、物理气相沉积法和原子置换法这三个领域。

1.1 化学气相沉积法

化学气相沉积是传统的制备薄膜的工艺，其原理是分子气体被添加进反应室，随后在反应室中被分解或反应到衬底表面生成薄膜。化学气相沉积的方法有很多，近年来，研究人员对通过化学气相沉积法制备硅基 SiC 薄膜的研究主要集中在激光化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法和金属有机化学气相沉积法等方面。

1.1.1 激光化学气相沉积法

在20世纪70年代初，有研究人员率先用CO₂激光作为热源进行激光化学气相沉积（Laser chemical vapor deposition，LCVD）的开创性实验来制备薄膜，随着激光化学气相沉积技术研究和开发的不断深入，其已被熟练应用于 SiC 薄膜的制备。激光化学气相沉积法制备 SiC 薄膜的原理是将衬底放在反应气体中，用激光照射衬底使其升温，反应气体分子热分解后经沉积生成薄膜。对于激光化学气相沉积，通常使用单晶硅作为衬底，六甲基二硅烷（HMDS，Si₂C₆H₁₈）作为前驱体原料，氩气（Ar）作为载流气体，氢气（H₂）作为稀释气体。在实验装置方面，激光化学气相沉积的实验装置与常规的化学气相沉积反应装置大体相同，主要由真空反应室、激光光源、反应气体导入系统和排气系统组成，如图1所示。

Sun 等使用六甲基二硅烷在H₂氛围中以激光化学气相沉积法在Si (110) 衬底上制备了厚的外延3C-SiC膜。实验中，激光功率为200～320W，沉积温度为1373～1573K，总压强为1000Pa，H₂、Ar 的流速分别为500sccm 和25sccm，HMDS 的温度为298K，沉积时间为20min。Sun等对制备的外延 3C-SiC 薄膜生长机理的研究发现，激光照射能够改变衬底表面的原子粗糙度，通过高分辨率透射电子显微镜观察到 3C-SiC (110) 和 Si (110) 的表面有粗糙的纹理，如图2所示，Si (110) 表面的原子粗糙度可能是 3C-SiC (110) 成核的关键因素。同时，通过此激光化学气相沉积方法制备出的外延薄膜的厚度是传统化学气相沉积方法制备出的外延薄膜厚度的5～20倍，这对电力电子应用的新发展非常有前景。另有Liu等以六甲基二硅烷为前驱体源、H₂作为稀释气体，使用激光化学气相沉积法在Si (001) 衬底上制备了外延 3C-SiC 薄膜，并研究了H₂流速对3C-SiC 薄膜中晶体质量的影响。实验中，激光功率为416W，沉积温度为1575 K，总压强为1000 Pa，HMDS 的流速为0.6 sccm，沉积时间为20min，H₂的流速为1.0～3.0 slm，HMDS的温度为298 K。

Liu 等为研究3C-SiC薄膜质量，对每个样品进行了摇摆曲线测量，结果如图3a—e所示，当 H₂流速为2.0slm 时，晶体质量最好。同时，Liu等研究了晶体缺陷的形成和消除的机理，他们认为晶体缺陷主要由 {111} 孪晶组成，其向衬底表面倾斜15.8°，为一阶孪晶镜像的多重孪晶，随着 H₂流速从小到大变化，孪晶会自生成或消失，当 H₂流速为2.5slm 时，与高密度的孪晶相关的缺陷达到最小值。

1. 1. 2 等离子体增强化学气相沉积

等离子体增强化学气相沉积（Plasma enhanced chemicalvapor deposition,PECVD）是对化学气相沉积系统的改进，其中等离子体用于增强反应气源的分解。其原理是，在反应过程中，等离子体中（主要是电子碰撞电离和解离）形成的不同种类的离子和自由基向衬底扩散，在衬底表面反应生成薄膜。与传统化学气相沉积法相比，等离子体增强化学气相沉积法的优势是在较低温度下就能完成反应，这有助于解决由于熔融问题而难以通过化学气相沉积法制备薄膜的问题。等离子体增强化学气相沉积法中主要使用的等离子体源类型为射频放电、脉冲放电和微波放电，其实验装置示意图如图4所示，该装置主要由真空系统、供能系统、气体流量控制系统、加热器等组成，其中，机械泵和分子泵构成真空系统，射频电源及电源匹配器构成供能系统。

在使用等离子体增强化学气相沉积法制备 SiC 薄膜的工艺中，通常使用甲烷（CH₄）和硅烷（SiH₄）作为前驱体。Lukianov 等使用CH₄、SiH₄、H₂和 Ar 混合物通过等离子体增强化学气相沉积法在掺硼 Si (100) 衬底上制备出SiC薄膜，并研究了射频放电功率对薄膜力学性能的影响。如图 5 所示，Lukianov 等研究发现，在固定的硅烷流速下随着射频功率的增加，薄膜的硬度 H 与杨氏模量 E 之比（H/E）也增加，在高射频功率下沉积的薄膜，H/E 值达到了 0.13。高 H/E 值以及高 H 和 E 值表明所得薄膜具有高耐磨性。

另外，还有部分研究人员在等离子体增强化学气相沉积工艺中使用单源前驱体制备 SiC 薄膜。李子曦等使用等离子体增强化学气相沉积法以四甲基硅烷（TMS, C₄H₁₂Si）作为唯一反应气源，采用不同工作压强在单晶Si (100) 衬底上制备出SiC薄膜，并研究了工作压强对SiC薄膜化学成分、表面形貌、表面粗糙度、沉积速率及密度的影响。实验中，射频电源功率为 50W，样品台温度为250℃，镀膜时间为3h，四甲基硅烷流量为 0.5mL/min，H₂流量为20ml/min，工作压强分别为10Pa、30Pa、50Pa、70Pa、90Pa。李子曦等研究发现，与其他制备工艺相比，采用单一气源制备的SiC薄膜的表面粗糙度极低（1.25~1.85nm），薄膜粗糙度随工作压强的增加呈先增大后减小的趋势。不同工作压强下所得SiC薄膜的AFM形貌及平均粗糙度如图6所示。

1.1.3 热丝化学气相沉积法

热丝化学气相沉积（Hot filament chemical vapor deposition, HFCVD）法的原理是通过高温热丝的热能来分解源气体，分解的基元直接或经过气相反应后到达衬底表面形成薄膜。最常见的热丝化学气相沉积制备方法是，在简单的单温区炉中，真空（也有在惰性气体保护下）加热衬底至所需温度，利用热丝在高温时将源气（CH₄、SiH₄、H₂）热分解，最后在衬底上沉积生长出固态涂层（SiC）。热丝化学气相沉积的设备主要分为三个部分：配气系统、反应室系统和抽气系统，如图7所示。

Agarwal 等使用热丝化学气相沉积法以CH₄、SiH₄和 H₂为源气，在 Si (100) 衬底上制备出 SiC 薄膜，并研究了甲烷流速（MFR）对薄膜结构和电学性能的影响。实验中，衬底温度为400℃，灯丝温度为2200℃，灯丝与衬底之间的距离为6cm，压力保持在300Pa，H₂和SiH₄流速分别为 90sccm、3sccm，CH₄流速在 6~18sccm 之间变化。Agarwal 等研究发现，在低甲烷流速下制备出的 SiC 薄膜结晶性能都很好，随着甲烷流速的增大，晶粒尺寸逐渐减小，如图8所示。同时，制备出的薄膜导电性能优异，其电导率随着甲烷流速的增大而降低。

Tehrani 使用CH₄和SiH₄通过热丝化学气相沉积法在Si（111）衬底上制备出SiC薄膜，并研究了不同SiH₄与CH₄气体流动比（R=[SiH₄]/[CH₄]）对薄膜结构的影响。实验中，衬底温度为300℃，灯丝温度为1900℃，压力保持在80Pa，SiH₄流速固定在1sccm，CH₄流速在10～100 sccm 之间变化,沉积时间为30min。Tehrani研究发现，随着气体流动比的增加，非晶SiC薄膜向立方纳米晶SiC薄膜的结构转变。图9为在不同R值下沉积的薄膜的XRD图。

1.1.4 金属有机化学气相沉积法

金属有机化学气相沉积（Metal organic chemical vapour deposition，MOCVD）法是对化学气相沉积系统的另一种改进，通常使用金属或有机化合物作为前驱体，Ar、H₂作为载流气体，在预加热的衬底表面发生分解、氧化或还原反应而制成薄膜，其原理示意图如图10所示。因其沉积速率（约为40nm/min）较高，该方法更适用于制备厚SiC薄膜。金属有机化学气相沉积法通常采用 “冷” 壁反应器，通过载气将前驱体带到反应器的衬底，反应温度在700～1100 ℃，反应压力在1.333～101.325 kPa 之间，在这种条件下，表面化学反应的速率远快于质量传输的速率，即化学气相沉积发生在基于有限质量传输的过程中。

Mousa等使用金属有机化学气相沉积法以六甲基二硅烷作为唯一反应气源，用H₂和Ar的混合物作为载流气体在Si（001）衬底上制备出 3C-SiC 薄膜，并研究了金纳米颗粒对在 Si 上制备的 3C-SiC 薄膜基紫外光电探测器（3C-SiCTF-UVPD）性能的影响。实验中，沉积温度为1350℃，沉积时间为20min，HMDS 流量为5sccm，H₂流量为500sccm，Ar流量为1000sccm。结果表明，在20V的偏置电压下，金纳米粒子显著提高了光电探测器的性能，灵敏度为6.2×10⁴，且响应速度快，上升和衰减时间分别为0.36s和0.67 s，即使在2V的低工作电压下，该器件也表现出很好的性能，上升时间为1.02s，衰减时间为1.24s。因此，高灵敏度和快响应速度的 3C-SiCTF-UVPD 可用于开发性能优异的SiC薄膜基光电探测器。

1.2 物理气相沉积法

物理气相沉积的原理是采用物理方法（如蒸发、溅射等）将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子或分子，或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在衬底表面沉积成膜。常见物理气相沉积法制备硅基SiC薄膜的方法有磁控溅射法、分子束外延法、电子束物理气相沉积法等。

1.2.1 磁控溅射法

溅射法制备薄膜是利用高荷能粒子轰击靶材，溅射出靶材粒子，粒子在衬底表面沉积并逐渐形成平整致密薄膜的一种镀膜技术，被认为是最具有广泛适用性的物理沉积薄膜方法。磁控溅射法是把基本的二级溅射系统进行改造而产生的，其原理是衬底与靶材平行相对，靶材接负电位，衬底处于正电位，电子在电场的作用下加速飞向衬底的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向衬底，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在衬底上成膜。磁控溅射法原理图如图11所示。磁控溅射法又可细分为射频磁控溅射法、反应直流磁控溅射法和反应射频磁控溅射法等。

射频磁控溅射法是磁控溅射法中制备SiC薄膜的常用方法，Liu等采用射频磁控溅射法在Si(100)衬底上制备出非晶SiC薄膜，并研究了衬底温度对碳化硅薄膜性能的影响。实验中，射频功率为450W,沉积压力为0.4Pa,衬底温度为70~280°C，溅射时间为2h。Liu等研究发现，随着衬底温度的升高，沉积速率逐渐增大，如图12a所示;随着衬底温度的升高，弹性模量和纳米压痕硬度均增加，如图12b所示。此外，提高衬底温度可以降低对气体的吸附，从而提高薄膜的力学性能。

也有研究人员采用反应直流磁控溅射法和反应射频磁控溅射法制备SiC薄膜。Tavsanoglu等5使用CH，作为反应气体，采用反应直流磁控溅射法在Si(100)和玻璃衬底上沉积不同成分的非晶SiC薄膜。结果表明，在相同的膜厚度下,改变涂层组成物中的Si和C浓度，可以很容易地调整SiC薄膜的光学和电学性能。Kef等研究了在200~500°C的低衬底温度下,通过反应射频磁控溅射法制备的非晶SiC薄膜向纳米晶SiC薄膜的转变。

1.2.2 分子束外延法

分子束外延(Molecular beam epitaxy,MBE)是20世纪六七十年代发展起来的一门新的薄膜生长技术，其原理是在超高真空条件下，装有原材料的炉子加热产生的蒸气经小孔准直后形成分子束，精确控制分子束的束流强度，将其喷射到适当温度的衬底表面，由于表面力场作用分子束被吸附于衬底表面，经过迁移和再排列后，最终在衬底表面形成晶核或嫁接到晶格节点上，形成外延薄膜。

目前，外延生长SiC薄膜大部分都是通过化学气相沉积或气源分子束外延设备实现的。但化学气相沉积或气源分子束外延的生长过程会产生大量氢原子，这些氢原子极易吸附在SiC表面，会影响生长过程和外延膜质量。因为固源分子束外延生长过程由热力学控制，且有超高真空的生长环境和反射高能电子衍射仪对生长过程的原位监控，所以采用固源分子束外延生长SiC薄膜更具优越性]。Juluri等采用固源分子束外延法，以Si(111)为衬底，在960°C衬底温度下成功外延生长出SiC薄膜，并研究了Si1-xGex，界面层存在与否对碳化硅薄膜性能的影响。结果表明，与在普通 Si衬底上生长相比，Si1-xGex界面层提高了晶体质量和表面光滑度。图13a-c表示生长在 Si上的 SiC薄膜，图13d-f表示生长在Si1-xGex界面层上的 SiC薄膜，图 13a、d为SEM图，图13b、c、e、f 为 XTEM图，可以发现在 Si1-xGex界面层上生长出的 SiC薄膜更薄且表面更光滑。

1.2.3 电子束物理气相沉积法

电子束物理气相沉积（Electron beam physical vapor deposition，EB-PVD）法是以电子束为热源的一种真空蒸发镀膜方法，在真空环境下利用高能量密度的电子束轰击蒸镀材料（金属、陶瓷等），使之熔化、气化、蒸发并向衬底输运，在衬底上沉积形成薄膜。在电子束加热装置中，将被加热的物质放置于水冷的坩埚中，可避免蒸发材料与坩埚壁发生反应影响薄膜的质量，因此，电子束物理气相沉积法可以制备高纯薄膜，同时在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，实现同时或分别蒸发，沉积多种不同的物质。与传统的薄膜制备方法相比，电子束物理气相沉积法具有蒸发和沉积速率高、设备结构简单、成本低廉、易于实现工业化等诸多优点，被广泛应用于薄膜的生长。

胡冰冰等采用电子束物理气相沉积法在单晶Si（110）衬底上制备了SiC薄膜，并研究了退火温度对SiC薄膜结晶质量的影响。实验中靶基距为50cm，灯丝电压为80V，灯丝电流为0.5A，枪压为80kV，沉积时间为 1h，退火温度分别为600℃、800℃、1000℃，退火时间均为2h。结果表明，退火温度越高，SiC薄膜结晶质量越好（如图14 所示）。

1.3 原子置换法

原子置换法制备SiC薄膜与生长单晶、薄膜和纳米结构的所有现有方法和技术有根本的不同，其基本原理是在硅基体的基础上用碳原子部分取代基体晶体中的硅原子来生成SiC，其过程如式（1）所示：

2Si(cr) + CO(g) = SiC(cr) + SiO(g) （1）

反应分两个阶段进行。在第一阶段，形成了一种中间化合物 ——“硅空位碳原子基体硅”（C-VSi），此阶段的碳原子位于硅基体的间隙位置。在反应的第二阶段，活化的复合物进入碳化硅，释放的空位合并到碳化硅层下形成的孔隙中。此方法制备SiC薄膜的装备示意图如图15所示。

Kidalov等采用原子置换法在大孔径Si(100)衬底上制备了多晶SiC薄膜，并研究了形成薄膜的过程。实验中，生长温度为1290°C,生长时间为20min,CO和SiH4，气体混合物的压力为53Pa,CO气体流量为12scem,SiH4，气体流量为3.5sccm。结果表明，在表面存在孔隙的情况下，Si完全转变为SiC，一直生长到初始孔隙的最深处。图16为制备出的SiC薄膜的SEM图。

表1为硅基SiC薄膜不同的制备方法和工艺参数对比，表2为不同制备方法的优缺点、成膜质量及膜层性能对比。从表1可以得知，硅基SiC薄膜的制备多以单晶硅为衬底；化学气相沉积多以六甲基二硅烷或甲烷和硅烷为原料，以氩气作为载流气体、氢气作为稀释气体，物理气相沉积的原料则各不相同；相较化学气相沉积，物理气相沉积的生长或衬底温度较低，但其生长时间远长于化学气相沉积；物理气相沉积的工作气压远低于化学气相沉积，这是因为物理气相沉积对真空度的要求较高，所以需要较低的气压以达到较高的真空度；原子置换法是用碳原子部分取代基体晶体中的硅原子来生成 SiC薄膜，碳源类型一般为一氧化碳。从表1还可以发现，在较低温度下制备出的薄膜为非晶 SiC薄膜，纳米晶SiC薄膜的制备温度相对适中，而单晶和多晶 3C-SiC薄膜需要较高的制备温度，证明升高工作温度和衬底温度有助于3C-SiC薄膜的形成。从表２可以看出，每种制备方法都具有不同的特点，通过化学气相沉积制备出的薄膜均匀性更好，且具有优良的光学性能和电学性能；而物理气相沉积制备出的薄膜表面更加平整光滑，并且表现出良好的力学性能；原子置换法制备的薄膜也具有较好的力学性能。通过对比不同制备方法的优缺点可以发现，金属有机化学气相沉积法、磁控溅射法和电子束物理气相沉积法更适用于工业化生产，但金属有机化学气相沉积成本高，而且制备过程中容易产生对人体和环境有害的物质；电子束物理气相沉积制备出的薄膜与硅衬底界面的结合性能较差，实际应用范围较窄；磁控溅射法虽然存在靶材利用率较低等不足，但其具有可以溅射几乎所有的材料、膜层与基底结合性能好、可在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜等优点，更适合实际工业生产应用；分子束外延可精确控制薄膜厚度、结构与成分等，成膜质量高，但其沉积速率低且成本较高；热丝化学气相沉积设备简单，沉积速率高且可在较低衬底温度下制备薄膜，但存在灯丝变脆断裂易污染薄膜的情况；等离子体增强化学气相沉积主要用于沉积非晶SiC薄膜，其工作温度低，形成的薄膜均匀性好，具有优良的力学和光学性能，但等离子体增强化学气相沉积的成膜机理十分复杂，到目前为止对等离子体增强化学气相沉积法制备SiC薄膜的成膜机理还未达成一致的看法；激光化学气相沉积多用于制备外延SiC薄膜，其生长速率远高于其他方法，薄膜厚度也比传统化学气相沉积法制备的薄膜厚5~20倍，但其成本过高。

由此可见，虽然硅基SiC薄膜的制备技术已取得一定进展，但仍存在不足，为满足未来诸多领域对硅基 SiC薄膜的广泛需求，关于制备方法下一步的发展方向，研究人员应重点关注以下几个方面：(1) 加强薄膜可控掺杂及成膜机理研究，为制备大尺寸、高质量及高性能薄膜提供理论基础；(2) 加强对高效、低成本制备大尺寸、高结合强度薄膜技术的突破，同时要保证制备全程的绿色环保及安全系数，为其能更好地应用在更多领域打好理论基础；(3) 利用现有技术的优势和特点，加强技术集成创新和新制备技术的开发，以获得新性能和多功能的薄膜。

2 SiC 薄膜性能测试与分析

2.1 力学性能

通过不同制备方法获得的SiC薄膜的力学性能和物理性能等差异较大，因此SiC薄膜力学性能的研究对SiC薄膜质量评估及制膜工艺改进等具有重要意义。纳米级薄膜一般都附着在基体表面，因此采用传统实验手段难以获得其力学性能。研究人员通常使用纳米压痕仪、显微硬度仪和纳牛力学探针等对薄膜的力学性能进行测试，其中纳米压痕仪具有高的载荷和位移分辨率，可完成多种力学性能测试。因此，使用纳米压痕仪进行压痕和划痕测试从而得到硬度、杨氏模量以及摩擦系数等力学参数成为测量SiC薄膜力学性能最常用的方法。

Frischmuth 等使用 CH₄、SiH₄和 Ar 混合物通过等离子体增强化学气相沉积法在Si (100) 衬底上制备出SiC薄膜，并研究了高温热退火对氢化非晶碳化硅（a-SiC:H）薄膜力学性能的影响。实验中，使用纳米压痕仪进行了纳米压痕测试得到了薄膜的杨氏模量和硬度。结果表明，杨氏模量和硬度随着退火温度的升高而增加，这可能与氢气质量渗出有关，此外还与SiC在 800℃及以上温度下的持续结晶有关。热沉积后处理后薄膜的杨氏模量和硬度的变化如图17所示。Singh等使用射频磁控溅射法在Si (100) 衬底上沉积了碳化硅薄膜，并研究了溅射功率对薄膜力学性能的影响。实验中，利用纳米压痕法研究了薄膜的力学性能。结果表明，硬度 H 和杨氏模量 E 随射频功率的增加而减小，硬度的降低可能归因于晶粒尺寸的增强，如图18所示。

近年来，SiC薄膜在高温等极端条件下工作的器件需求十分迫切，但在极端条件下SiC薄膜力学性能的研究并不多见。因此，何国堂等采用模拟软件ANSYS对SiC薄膜在不同条件下的力学性能进行了理论模拟分析，研究了 SiC 薄膜的面积和厚度、缺陷分布以及温度对其刚度的影响。结果表明，SiC 薄膜的刚度与面积成反比，与薄膜厚度的三次方成正比；SiC薄膜表面分布的缺陷越靠近薄膜中心，对刚度的影响越大，且缺陷的尺寸越大，缺陷密度越高，刚度越小；根据实验测得高温下SiC薄膜的杨氏模量数据，模拟计算发现SiC薄膜的刚度在290~2500K温度范围内随温度升高呈准线性下降趋势。此研究为SiC薄膜在不同极端条件下的应用提供了理论依据。

2.2 光学性能

SiC薄膜光学性能优异，可作为Si基光电子器件、Si基太阳能电池的增透膜等材料。同时SiC拥有特殊的禁带宽度和短波发光特性，使得SiC可应用于制作短波长发光器件, 而且SiC有优良的生物相容性，在生物荧光标记物应用方面比传统有机染料更具优势。而薄膜材料的光学性能受界面效应、薄膜结构、成分等因素的影响，结合SiC薄膜在光学领域的应用，对硅基SiC薄膜光学性能的研究主要集中在制备工艺、薄膜的结构及成分等对薄膜反射率、透射率以及发光性能等的影响。其中，研究人员通常使用分光光度计测量SiC薄膜在一定光谱范围内的透射率和反射率, 而发光性能通常是利用光致发光 (PL) 光谱仪来进行分析。

Wang 等使用射频磁控溅射法分别在玻璃和硅衬底上沉积了以AlN为缓冲层的非晶态SiC薄膜，并研究了不同射频功率对SiC薄膜透射率的影响。实验中，使用分光光度计测量薄膜的透射率。结果表明，在可见光波长范围内 SiC 薄膜的透射率随射频功率的增加而逐渐降低，这主要是因为在沉积过程中增加溅射功率会使到达衬底表面的入射粒子的能量更高，而这些活性粒子更容易迁移到基底上，导致薄膜的生长模型从岛状生长模式变为层状生长模式，从而抑制了位错源的产生，限制了它们的运动。因此，在更高溅射功率下倾向于形成更致密和更均匀的薄膜，从而使透射率降低。不同功率下沉积在玻璃衬底上的SiC薄膜的透射率如图19所示。另有 Tavsanoglu 等以CH₄为活性气体，通过高纯硅靶的反应直流磁控溅射法在 Si (100) 和玻璃衬底上沉积了不同成分的非晶态SiC薄膜，并研究了不同 CH₄气体流量对SiC薄膜透射率和反射率的影响。实验中，使用分光光度计测量SiC薄膜的透射率和反射率。结果表明，在可见光范围内，对于相同厚度的SiC薄膜，其透射率随着CH₄流量的增加而增加，厚度在微米范围以上的SiC薄膜可以通过改变CH₄流量在不透明和透明状态之间转换。280~1000nm 光谱范围内不同CH₄流量制备出的SiC薄膜的透射率和反射率如图20和图21所示。

刘灿辉等通过射频磁控溅射法在Si (100) 衬底上制备出SiC薄膜，并研究了不同沉积温度制备出的SiC薄膜的发光机理及发光性能。实验中采用氙灯荧光光谱仪测试样品的荧光光谱，采用光致发光光谱仪测试薄膜样品的室温和低温光致发光光谱，采用紫外 - 可见分光光度计测试样品的紫外 - 可见吸收光谱。结果表明，制备出的SiC薄膜为非晶态，薄膜的发光机理主要来自SiO₂的氧缺陷发光和SiC本征发光，光致发光性能最优的沉积温度为 200℃。图22为室温下SiC纳米薄膜样品的PL谱图。

2.3 电学性能

SiC薄膜具有高载流子迁移率、高击穿电压、优异的高温电子稳定性以及良好的力学性能和化学稳定性, 已经在传感器、谐振器、滤波器等诸多电子器件得到广泛应用。这些器件都需要特定的电学性能，以确保所需的功能。因此，SiC薄膜电学性能的研究对SiC薄膜在电子器件应用性能的评估及制膜工艺的改进等方面具有重要意义。目前，对硅基SiC薄膜电学性能的研究主要集中在电阻、压阻、电阻率及电导率等方面，而这些性能一般不能直接测得，研究人员通常采用辅助手段对SiC薄膜的电学性能进行测试，例如，为了研究SiC薄膜的压阻特性，Wu等设计了一种由悬臂梁、SiC薄膜压电电阻和Cr/Pt电极组成的测试结构，采用阶梯分析仪和万用表对SiC薄膜的压阻进行测试;SiC薄膜的电阻率可采用四点探针装置测量。

Wu等采用射频磁控溅射法在硅衬底上制备出SiC薄膜，并采用微机电系统技术在〈100〉取向的硅片上制备了测试结构的芯片，根据压阻效应和悬臂梁的弹性机理理论，借助自研测试结构测试分析了SiC薄膜的压阻性能。测试结构如图23所示。结果表明，SiC薄膜具有优异的压阻性能，SiC规范因子为35.1，SiC薄膜的电阻值随着退火温度的升高而降低。Jakovlev等使用等离子体增强化学气相沉积法在Si (100) 衬底上制备出SiC薄膜，研究了 SiC 薄膜所在环境的温度对其电阻率的影响。实验中，采用典型的四点探针装置测量了SiC薄膜的电阻率。结果表明，SiC 薄膜的电阻率随温度的升高而显著降低。关于电导率，Tavsanoglu 等以CH₄为活性气体，通过高纯硅靶的反应直流磁控溅射法在Si (100) 和玻璃衬底上沉积了不同成分的非晶态SiC薄膜，研究了不同CH₄气体流量对SiC薄膜电导率的影响。结果表明，室温下SiC薄膜的电导率随CH₄气体流量的增加而减少。