一種立方碳化硅薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種立方碳化硅薄膜的制備方法，包括如下步驟：(1)將單晶硅基板放入冷壁式激光化學(xué)氣相沉積裝置的基板座上，抽真空，并設(shè)置基板座溫度升至100～900℃；(2)將含HMDS的載流氣通入反應(yīng)器內(nèi)，HMDS的流量為1～20sccm，調(diào)節(jié)真空度至10～10kPa；(3)加載連續(xù)激光照射硅基板表面，波長750～1150納米，功率為10～150W，時(shí)間為1～10分鐘；(4)停止通入含有HMDS的載流氣，關(guān)閉激光和停止加熱，抽真空并自然冷卻至室溫，即得到立方碳化硅薄膜。本發(fā)明制備的立方碳化硅薄膜的面缺陷傾斜于薄膜生長方向生長，相鄰缺陷相遇時(shí)能夠發(fā)生“自消亡”現(xiàn)象，從而有效降低了材料中的晶體缺陷。
【專利說明】一種立方碳化硅薄膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種降低晶體缺陷的立方碳化硅薄膜的制備方法，屬于無機(jī)材料結(jié)構(gòu) 控制領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳化硅具有禁帶寬度大、擊穿電壓高，適和高溫、高功率、高頻以及極端輻射環(huán)境 中應(yīng)用，是研制高頻率、耐高溫、抗輻射半導(dǎo)體微電子器件與電路的理想材料，是重要的第 三代半導(dǎo)體材料。
[0003] 碳化硅具有多種同質(zhì)多晶，在垂直于c軸方向上根據(jù)原子堆垛次序不同，可以將 碳化娃分為200多種不同的多型體。由于立方碳化娃（3C-SiC)烙點(diǎn)低于娃（娃的烙點(diǎn)為 1420°C )，因此3C-SiC是唯一能在單晶硅基板上生長且性能優(yōu)異的碳化硅材料。這意味著 僅3C-SiC是有希望獲得大尺寸材料的晶型。此外，3C-SiC中的（111)晶面與III-V化合 物（如氮化鎵）以及石墨烯之間極好的熱膨脹及晶格匹配性，使得以SiC外延膜或晶圓為 基板的半導(dǎo)體器件較之傳統(tǒng)的硅或藍(lán)寶石為基板的器件，工作壽命提高10倍以上而能耗 減低約三分之二，由其衍生出的半導(dǎo)體器件具有更廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 但是，一般化學(xué)氣相沉積（CVD制備的3C-SiC薄膜晶粒（111)面中的缺陷垂直于 薄膜的生長方向，無法消除，影響了碳化硅薄膜及其相關(guān)器件應(yīng)用的推廣。因此，改進(jìn)立方 碳化硅材料的制備技術(shù)顯得尤為重要，改進(jìn)后的技術(shù)在制備材料的同時(shí)還能夠控制材料的 顯微結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生某種缺陷消除機(jī)制減少材料中晶體缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種立方碳 化硅薄膜的制備方法，沉積速度快，所得碳化硅薄膜的晶體缺陷少，并且碳化硅的晶體缺陷 隨薄膜的沉積厚度增加而快速減少。
[0006] -種立方碳化硅薄膜的制備方法，包括如下步驟：
[0007] (1)將單晶硅基板放入冷壁式激光化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的基板座上，并將真空度 調(diào)至10Pa以下，并設(shè)置反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，使基板座溫度升至100?900°C ;
[0008] ⑵將含六甲基二硅烷（(CH3)3-Si-Si-(CH 3)3,縮寫為HMDS)的載流氣通入反應(yīng)器 內(nèi)，HMDS的流量為1?2〇SCCm，調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的真空度至10?10kPa ;
[0009] (3)加載連續(xù)激光照射硅基板表面，波長750?1150納米，調(diào)節(jié)激光功率為10? 150W，其加載激光時(shí)間為1?10分鐘；
[0010] ⑷停止通入含有HMDS的載流氣，關(guān)閉激光和反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，抽真空，將反 應(yīng)器內(nèi)的真空度調(diào)至l〇Pa以下，并自然冷卻至室溫，即得到沉積在單晶硅基板上的立方碳 化硅薄膜。
[0011] 按上述方案，所述單晶硅基板可以經(jīng)過預(yù)處理使其表面潔凈，單晶硅充分裸露。所 述預(yù)處理的方法是：將基板首先置于乙醇中超聲處理15分鐘，接著置于氨水、雙氧水和水 的混合溶液中水浴加熱10分鐘，然后置于氫氟酸和水的混合溶液中浸泡1分鐘，最后用去 離子水洗滌干凈即可。其中，氨水、雙氧水和水的體積比為1:1:5，此混合溶液的水浴溫度設(shè) 置為80°C ;氫氟酸和水的體積比為1:50。此工藝中所用的氨水為分析純氨水，NH3質(zhì)量分 數(shù)為28% ;雙氧水為分析純雙氧水，H202 > 30% ;氫氟酸為分析純氫氟酸，HF大于40%。
[0012] 按上述方案，所述載流氣為氬氣、氫氣等。
[0013] 本發(fā)明通過調(diào)節(jié)運(yùn)送六甲基二硅烷的載流氣流量、通入六甲基二硅烷后沉積碳化 硅時(shí)基板表面的溫度、加載的激光功率和時(shí)間，來控制沉積的立方碳化硅薄膜的厚度與結(jié) 構(gòu)。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 第一，本發(fā)明制備的立方碳化硅薄膜的面缺陷傾斜于薄膜生長方向生長，相鄰缺 陷相遇時(shí)能夠發(fā)生"自消亡"現(xiàn)象，從而有效降低了材料中的晶體缺陷，并且碳化硅的晶體 缺陷隨薄膜的沉積厚度增加而快速減少；
[0016] 第二，本發(fā)明制備立方碳化硅薄膜時(shí)，立方碳化硅薄膜的沉積速率快，沉積速度能 達(dá)到 50 μ m/min ;
[0017] 第三，本發(fā)明所述方法非常節(jié)能，激光直接照射硅基板，主要給基板表面局部熱 能，反應(yīng)器其他部位受熱較少，降低了能耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的立方碳化硅薄膜的XRD圖譜。
[0020] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的立方碳化硅薄膜橫截面的透射電子顯微鏡（TEM) 像。
[0021] 圖4(a)為本發(fā)明實(shí)施例1制備的立方碳化硅薄膜橫截面的透射電子顯微鏡（TEM) 像，（b)為傳統(tǒng)CVD方法制備的碳化硅薄膜的TEM像。
[0022] 圖5中（b)和⑷為制備立方碳化硅薄膜時(shí)，碳化硅薄膜生長方向成角度的（111) 面缺陷消失原理圖。（b)和（d)分別表示本發(fā)明中碳化硅薄膜中有傾斜于薄膜生長方向的 反相疇界（APB)和孿晶界（TB)。圖五中（a)和（c)分別表示在一般CVD方法制備的碳化硅 薄膜中，反相疇界（APB)和孿晶界（TB)垂直于薄膜的生長方向；

【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明不 僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0024] 下述實(shí)施例中所述單晶硅基板可以經(jīng)過預(yù)處理使其表面潔凈，所述預(yù)處理的方法 是：將單晶硅基片切成大小為lcmX 2cm，首先在乙醇中超聲清洗15分鐘，再在溫度為80°C 的氨水，雙氧水和水的混合溶液中清洗10分鐘，然后在氫氟酸水溶液中清洗1分鐘，最后用 去離子水沖洗干凈即可。其中氨水、雙氧水和水的混合溶液中氨水、雙氧水和水的比體積比 為1:1:5,氫氟酸水溶液中氫氟酸和水的體積比為1:50。所使用的氨水為分析純氨水，NH 3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28% ;雙氧水為分析純雙氧水，H202 > 30% ;氫氟酸為分析純氫氟酸，HF大于 40%。
[0025] 實(shí)施例1
[0026] -種立方碳化硅薄膜的制備方法，包括如下步驟：
[0027] (1)將單晶硅基板放入冷壁式激光化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的基板座上，并將真空度 調(diào)至10Pa以下，并設(shè)置反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，使基板座溫度升至300°C ;
[0028] (2)將含六甲基二硅烷（HMDS)的載流氣Ar氣通入反應(yīng)器內(nèi)，HMDS的流量為 3sccm,通過調(diào)節(jié)真空泵抽氣閥使反應(yīng)器內(nèi)的真空度為lOOOOPa ;
[0029] (3)加載連續(xù)激光照射硅基板表面，波長808納米，調(diào)節(jié)激光功率為80W，加載激光 時(shí)間為10分鐘；
[0030] (4)停止通入含有HMDS的Ar氣，關(guān)閉激光和反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，抽真空，將反應(yīng) 器內(nèi)的真空度調(diào)至l〇Pa以下，并自然冷卻至室溫，即得到沉積在單晶硅基板上的立方碳化 硅薄膜。
[0031] 由圖2可知，本實(shí)施例制備的立方碳化硅薄膜進(jìn)行XRD測試。從圖上可以看出，只 有立方碳化硅（111)和（222)的衍射峰，而沒有碳化硅其它晶面的衍射峰，結(jié)果表明薄膜成 分均為3C-SiC，其（111)晶面平行于基板。
[0032] 圖3為本實(shí)施例沉積在單晶硅基板上的立方碳化硅薄膜的透射電子顯微鏡（TEM) 像。根據(jù)圖3可知，在平行于基板表面的平面方向上，碳化硅晶粒的平均截面直徑d與其距 離硅基板表面的距離h，滿足公式d = hv，v為0. 7,遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)CVD法制備的立方碳化硅薄 膜（v值約為0.517)。這表明本發(fā)明制備所得碳化硅在生長的過程中晶體缺陷在隨著厚度 的增加而快速消失。
[0033] 圖4 (a)為本實(shí)施例沉積在單晶硅基板上的立方碳化硅薄膜的TEM像，其中，碳化 硅面缺陷傾斜于薄膜的生長方向，（b)為傳統(tǒng)CVD方法制備的碳化硅薄膜的--Μ像，其碳化 硅面缺陷平行于基板表面。
[0034] 在傳統(tǒng)CVD方法制備的碳化硅薄膜中，反相疇界（APB)和孿晶界（TB)垂直于薄膜 的生長方向，如圖5(a)和（c)所示，其相互平行的APB或TB很難相遇而消失。相反地，在 本發(fā)明中，薄膜中有傾斜于薄膜生長方向的APB，如圖5(b)所示，這種APB可以隨著薄膜的 生長而和相鄰的APB相遇，最后相互湮滅；TB也有類似的情況，如圖5(d)所示。
[0035] 實(shí)施例2
[0036] 一種立方碳化硅薄膜的制備方法，包括如下步驟：
[0037] (1)將單晶硅基板放入冷壁式激光化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的基板座上，并將真空度 調(diào)至10Pa以下，并設(shè)置反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，使基板座溫度升至600°C ;
[0038] (2)將含六甲基二硅烷（HMDS)的載流氣Ar氣通入反應(yīng)器內(nèi)，HMDS的流量為 lOsccm，調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的真空度為1000Pa ;
[0039] (3)加載連續(xù)激光照射硅基板表面，波長1080納米，調(diào)節(jié)激光功率為20W，加載激 光時(shí)間為3分鐘；
[0040] (4)停止通入含有HMDS的H2，關(guān)閉激光和反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，抽真空，將反應(yīng)器 內(nèi)的真空度調(diào)至l〇Pa以下，并自然冷卻至室溫，即得到沉積在單晶硅基板上的立方碳化硅 薄膜。
[0041] 本實(shí)施例制備的立方碳化硅薄膜成分為3C-SiC，其（111)晶面平行于基板。
[0042] 實(shí)施例3
[0043] -種立方碳化硅薄膜的制備方法，包括如下步驟：
[0044] (1)將單晶硅基板放入冷壁式激光化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的基板座上，并將真空度 調(diào)至10Pa以下，并設(shè)置反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，使基板座溫度升至900°C ;
[0045] (2)將含六甲基二硅烷（HMDS)的載流氣H2通入反應(yīng)器內(nèi)，HMDS的流量為18 SCCm， 調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的真空度為l〇〇Pa ;
[0046] (3)加載連續(xù)激光照射硅基板表面，激光波長為1080納米，調(diào)節(jié)激光功率為150W， 加載激光時(shí)間為1分鐘；
[0047] (4)停止通入含有HMDS的載流氣H2，關(guān)閉激光和反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，抽真空，將 反應(yīng)器內(nèi)的真空度調(diào)至l〇Pa以下，并自然冷卻至室溫，即得到沉積在單晶硅基板上的立方 碳化硅薄膜。
[0048] 本實(shí)施例制備的立方碳化硅薄膜成分為3C_SiC，其（111)晶面平行于基板。
[0049] 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的 詳細(xì)說明。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種修改和變化，凡在本發(fā)明的精神 和原則內(nèi)所做的任何修改，等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種立方碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 將單晶硅基板放入冷壁式激光化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器的基板座上，并將真空度調(diào)至 lOPa以下，并設(shè)置反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，使基板座溫度升至100?900°C ; (2) 將含六甲基二硅烷的載流氣通入反應(yīng)器內(nèi)，六甲基二硅烷的流量為1?2〇SCCm，調(diào) 節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的真空度至10?10kPa ; (3) 加載連續(xù)激光照射硅基板表面，波長750?1150納米，調(diào)節(jié)激光功率為10?150W， 其加載激光時(shí)間為1?10分鐘； (4) 停止通入含有六甲基二硅烷的載流氣，關(guān)閉激光和反應(yīng)器內(nèi)的加熱系統(tǒng)，將反應(yīng) 器內(nèi)的真空度調(diào)至l〇Pa以下，并冷卻至室溫，即得到沉積在單晶硅基板上的立方碳化硅薄 膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種立方碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于所述單晶硅基 板經(jīng)過預(yù)處理使其表面潔凈。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種立方碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于所述預(yù)處理的 方法是：將基板首先置于乙醇中超聲處理，接著置于氨水和雙氧水的混合溶液中清洗，然后 置于氫氟酸水溶液中清洗后，用去離子水洗滌干凈即可。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種立方碳化硅薄膜的制備方法，其特征在于所述六甲基二 娃燒的載流氣反應(yīng)器是氦氣或氫氣。
【文檔編號】C23C16/48GK104087909SQ201410317559
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】章嵩, 徐青芳, 涂溶, 張聯(lián)盟 申請人:武漢理工大學(xué)