快速制備3C-SiC外延膜方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速制備3C-SiC外延膜方法，其特征是將激光引入到傳統(tǒng)CVD方法制備碳化硅外延膜即SiC薄膜，通過控制激光的輸出功率，修飾基板表面形成納米級微臺階，為薄膜形成初期提供大量成核點；同時激光也為薄膜的生長提供有效的光子活化和加熱方式，使SiC薄膜的生長速度大幅度提高；通過控制激光光斑大小得到1-4英寸的SiC薄膜制品。本發(fā)明由于利用激光的光、熱效應(yīng)促使前驅(qū)體反應(yīng)，使前驅(qū)體利用率和反應(yīng)速率大幅度提高，在制備大尺寸3C-SiC薄膜的同時又保證了薄膜的均勻性。
【專利說明】快速制備3C-SiC外延膜方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種外延生長碳化硅膜的技術(shù)，特別是在較低的溫度下快速生長碳化 硅膜，屬于功能薄膜材料的制備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體材料的發(fā)展中，硅（Si)和砷化鎵（GaAs)分別是第一代、第二代半導(dǎo)體的 代表。隨著微電子技術(shù)和光電子的技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)半導(dǎo)體如Si、GaAs已面臨嚴峻挑戰(zhàn)，人 們對能在極端條件下工作的電子器件的需求越來越迫切。碳化硅（SiC)因其禁帶寬度大、 熱導(dǎo)率高、擊穿電壓高、電子飽和漂移速率大、服役溫度高和化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，在制作 高溫、高頻、高功率、抗輻射和高密度集成電子器件方面有不可替代的優(yōu)勢，已成為第三代 半導(dǎo)體材料的研究核心之一。
[0003] SiC是一個典型的同質(zhì)多形體，具有200多種晶型。3C_SiC相對于其他的晶型，其 帶寬適中而遷移率高和飽和電子飄移速率高，并且是一種能異質(zhì)外延生長于多種基底（Si、 310 2等）上的晶型。3C-SiC能夠在低于1400°C的溫度下生長，而生長4H-SiC和6H-SiC則 需要高于2200°C的高溫。在三種最受關(guān)注的3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC中，僅3C-SiC能在硅 (Si)基板上生長且性能優(yōu)異，而4H-SiC和6H-SiC的生成溫度遠高于Si的熔點（1420°C )， 因此，在硅（Si)基板上生長3C-SiC的制備技術(shù)成了研究熱點。
[0004] 目前，3C-SiC多采用化學(xué)氣相沉積（CVD)技術(shù)在硅（Si)基板上生長。傳統(tǒng)的熱 CVD制備3C-SiC時，設(shè)備需加熱到1200?1400°C左右，能耗巨大且氣體前軀體的利用率和 薄膜的生長速率都很低；熱絲CVD采用發(fā)熱絲對基板加熱，解決了熱CVD能耗大的問題，但 在基板容易形成較大的溫度梯度，無法制備較大尺寸的樣品；常壓CVD能獲得較高的生長 速率，但前驅(qū)體的利用率低且制備過程需要較高的沉積溫度；低壓CVD法制備3C-SiC時能 改善薄膜材料質(zhì)量，但生長速率低，通常低于1微米每小時，不適合工業(yè)生產(chǎn)。因此，迫切需 要對3C-SiC薄膜的制備技術(shù)進行改進，才能夠滿足薄膜質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種快速制備3C_SiC薄膜的方法，其薄膜的 生長速率高，沉積溫度低。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明提供的快速制備3C_SiC外延膜方法，具體是：將激光引入到傳統(tǒng)CVD方法 制備碳化硅外延膜即SiC薄膜，通過控制激光的輸出功率，修飾基板表面形成納米級微臺 階，為薄膜形成初期提供大量成核點；同時激光也為薄膜的生長提供有效的光子活化和加 熱方式，使SiC薄膜的生長速度大幅度提高。通過控制激光光斑大小得到1-4英寸的SiC 薄膜制品。
[0008] 所述的快速制備3C_SiC外延膜方法可以包括以下步驟：
[0009] (1)清洗基片：
[0010] 將單晶硅基片放入酒精中超聲清洗，然后在體積比nh3 · H20:H202:H20 = 1:1:5的 清洗液中在溫度80°c下清洗，再在體積比HF:H20 = 1:50混合液中清洗1分鐘，最后用去離 子水沖洗；
[0011] (2)調(diào)整單晶硅基片的位置：
[0012] 將清洗好的單晶硅基片放入激光加載的冷壁式化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中，調(diào)整單晶 硅基片的位置，使激光照射在需要生長外延薄膜的區(qū)域上；
[0013] (3)加熱：
[0014] 將所述反應(yīng)腔抽真空到l〇Pa，通入H2并調(diào)節(jié)壓強到104Pa，設(shè)置升溫程序，加熱單 晶硅基片并使其溫度上升到100?900°c ;
[0015] (4)反應(yīng)腔：
[0016] 通入CH4氣體10分鐘后，將含有HMDS的載流Ar氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，調(diào)節(jié)HMDS的 流量控制反應(yīng)腔壓力；
[0017] (5)激光照射：
[0018] 打開激光，使激光照射在基板表面，調(diào)節(jié)激光功率0?150W，照射時間為1?10分 鐘；
[0019] (6)停止激光照射，關(guān)閉HMDS原料氣體，將反應(yīng)腔抽真空到10Pa，使基板冷卻至室 溫，得到3C-SiC外延膜。
[0020] 本發(fā)明使用InGaAlAs多模二極管激光器，輸出波長為808納米激光照射基板，為 3C-SiC薄膜在Si基板上快速生長提供能量。
[0021] 所述的激光器功率為150W。
[0022] 上述步驟（5)中，所述碳化硅沉積速度可以為40微米每小時。
[0023] 上述步驟（5)中，所述基板溫度可以為930°C。
[0024] 上述步驟（4)中，在薄膜沉積整個過程中，可以使用單一安全環(huán)保無腐蝕性的 (CH3) 3-Si-Si-(CH3)3(HMDS)為前驅(qū)體，使用無毒安全的Ar氣體為載流氣，Ar的流速為 25sccm〇
[0025] 本發(fā)明與傳統(tǒng)CVD方法相比較，激光CVD法制備3C_SiC薄膜有下列優(yōu)勢：
[0026] 1.利用激光的光、熱效應(yīng)可促進安全環(huán)保的HMDS大分子反應(yīng)，且前驅(qū)體的利用率 和反應(yīng)速率大大提高（如圖1);
[0027] 2.連續(xù)大功率激光直接照射基板表面，修飾基板表面形成納米級微臺階，為薄膜 形成初期提供大量成核點，使材料形成初期成核更加容易，生長速率提高1?3個數(shù)量級；
[0028] 3.利用激光的光、熱效應(yīng)為3C_SiC薄膜的生長提供充足的能量，降低了薄膜的沉 積溫度；
[0029] 4.采用超高斯分布的激光照射基板，為薄膜的生長提供均勻的溫度場，在制備大 尺寸3C_SiC薄膜的同時又保證了薄膜的均勻性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明制備出的3C-SiC薄膜的生長速率及溫度和其他方法制備3C-SiC薄 膜的比較示意圖，表明本發(fā)明制備薄膜的生長速率遠高于其他方法；
[0031] 圖2是本發(fā)明制備出的3C-SiC薄膜的XRD圖，表明了 3C-SiC薄膜外延生長（〈111〉 方向）于娃（Si)基板上；
[0032] 圖3是本發(fā)明制備出的3C_SiC外延薄膜的截面透射電子顯微鏡（TEM)照片，照片 表明外延膜與基板結(jié)合良好，界面光滑穩(wěn)定；激光修飾出的微臺階為薄膜形成初期提供有 效成核點。

【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明公開了一種采用激光化學(xué)氣相沉積（LCVD)方法快速制備SiC外延膜的 技術(shù)，該技術(shù)通過引入大功率、超高斯分布、連續(xù)激光到傳統(tǒng)化學(xué)氣象沉積（CVD)方法，利 用激光直接照射并加熱基板，在通入六甲基二硅烷（HMDS)前驅(qū)體和Ar作為唯一載流氣體 的條件下制備SiC薄膜，薄膜的生長速率可達40微米每小時，較之傳統(tǒng)的CVD技術(shù)提高 20-400倍。與傳統(tǒng)的CVD方法不同，激光CVD技術(shù)可利用激光的光、熱效應(yīng)促使前驅(qū)體反 應(yīng)，使如驅(qū)體利用率和反應(yīng)速率大幅度提1?。
[0034] 下面通過具體的實施案例對本發(fā)明進行具體的描述，本實施案例只對于本發(fā)明做 進一步說明，不會構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限制。
[0035] 實施例1
[0036] (1)將4英寸的單晶硅（Si)基片放入酒精中超聲清洗15分鐘，然后在體積比 NH3 ·H20:H202:H20 = 1:1:5的清洗液中在溫度80°C下清洗10分鐘，再用HF:H20 = 1:50 (體 積比）混合液中清洗1分鐘，最后用去離子水沖洗；
[0037] (2)清洗好的Si基片放入加載激光的冷壁式化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中，并調(diào)整基片 的位置，使激光照射在整片硅基片上；
[0038] (3)抽真空到10Pa，通入H2并調(diào)節(jié)壓強到104Pa，設(shè)置升溫程序，使溫度上升到 300。。；
[0039] (4)通入CH4氣體10分鐘，將含有HMDS的載流Ar氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，控制HMDS 的流量為25SCCm，調(diào)節(jié)反應(yīng)腔體的總壓強為200Pa ;
[0040] (5)將激光尺寸調(diào)節(jié)至4英寸，打開激光，使光照射在基板表面，通過調(diào)節(jié)激光功 率100W，激光的照射時間為1分鐘，并通過紅外熱成像儀測出基板表面的溫度場分布，測得 基板的溫度；
[0041] (6)停止激光照射，關(guān)閉HMDS原料氣體，抽真空到10Pa，冷卻至室溫。
[0042] 實施例2
[0043] (1)將2英寸的單晶硅（Si)基片放入酒精中超聲清洗15分鐘，然后在體積比 NH3 ·H20:H202:H20 = 1:1:5的清洗液中在溫度80°C下清洗10分鐘，再用HF:H20 = 1:50 (體 積比）混合液中清洗1分鐘，最后用去離子水沖洗；
[0044] (2)清洗好的Si基片放入加載激光的冷壁式化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中，并調(diào)整基片 的位置，使激光照射在整片硅基片上；
[0045] (3)抽真空到10Pa，通入H2并調(diào)節(jié)壓強到104Pa，設(shè)置升溫程序，使溫度上升到 500。。；
[0046] (4)先通入CH4氣體10分鐘，然后將含有HMDS的載流Ar氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，控制 HMDS的流量為15sccm，調(diào)節(jié)反應(yīng)腔體的總壓強為600Pa ;
[0047] (5)將激光尺寸調(diào)節(jié)至2英寸，打開激光，使光照射在基板表面，通過調(diào)節(jié)激光功 率50W，激光的照射時間為5分鐘，并通過紅外熱成像儀測出基板表面的溫度場分布，測得 基板的溫度；
[0048] (6)停止激光照射，關(guān)閉HMDS原料氣體，抽真空到10Pa，冷卻至室溫。
[0049] 實施例3
[0050] (1)將4英寸的單晶硅（Si)基片放入酒精中超聲清洗15分鐘，然后在體積比 NH3 ·H20:H202:H20 = 1:1:5的清洗液中在溫度80°C下清洗10分鐘，再用HF:H20 = 1:50 (體 積比）混合液中清洗1分鐘，最后用去離子水沖洗；
[0051] (2)清洗好的Si基片放入加載激光的冷壁式化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中，并調(diào)整基片 的位置，使激光照射在于4英寸基片同心的3英寸圓形區(qū)域上；
[0052] (3)抽真空到10Pa，通入H2并調(diào)節(jié)壓強到104Pa，設(shè)置升溫程序，使溫度上升到 800。。；
[0053] (4)先通入CH4氣體10分鐘，然后將含有HMDS的載流Ar氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，控制 HMDS的流量為5sccm，調(diào)節(jié)反應(yīng)腔體的總壓強為800Pa ;
[0054] (5)將激光尺寸調(diào)節(jié)至3英寸，打開激光，使光照射在基板表面，通過調(diào)節(jié)激光功 率150W，激光的照射時間為10分鐘，并通過紅外熱成像儀測出基板表面的溫度場分布，測 得基板的溫度；
[0055] (6)停止激光照射，關(guān)閉HMDS原料氣體，抽真空到10Pa，冷卻至室溫。
[0056] XRD測試結(jié)果表明，上述所有實施例所獲得的不同尺寸材料均為3C_SiC外延膜 (圖2)。薄膜沉積速度10?40微米每小時。
[0057] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步的 詳細說明。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、改進等，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種快速制備3C-SiC外延膜方法，其特征是將激光引入到傳統(tǒng)CVD方法制備碳化 硅外延膜即SiC薄膜，通過控制激光的輸出功率，修飾基板表面形成納米級微臺階，為薄膜 形成初期提供大量成核點；同時激光也為薄膜的生長提供有效的光子活化和加熱方式，使 SiC薄膜的生長速度大幅度提高；通過控制激光光斑大小得到1-4英寸的SiC薄膜制品。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速制備3C-SiC外延膜方法，其特征是包括以下步驟： (1) 清洗基片： 將單晶硅基片放入酒精中超聲清洗，然后在體積比NH3 · H20:H202:H20 = 1:1:5的清洗 液中在溫度80°C下清洗，再在體積比HF:H20 = 1:50混合液中清洗1分鐘，最后用去離子水 沖洗； (2) 調(diào)整單晶硅基片的位置： 將清洗好的單晶硅基片放入激光加載的冷壁式化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔中，調(diào)整單晶硅基 片的位置，使激光照射在需要生長外延薄膜的區(qū)域上； (3) 加熱： 將所述反應(yīng)腔抽真空到l〇Pa，通入H2并調(diào)節(jié)壓強到104Pa，設(shè)置升溫程序，加熱單晶硅 基片并使其溫度上升到1〇〇?900°C ; (4) 反應(yīng)腔： 通入CH4氣體10分鐘后，將含有HMDS的載流Ar氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，調(diào)節(jié)HMDS的流量 控制反應(yīng)腔壓力； (5) 激光照射： 打開激光，使激光照射在基板表面，調(diào)節(jié)激光功率0?150W，照射時間為1?10分鐘； (6) 停止激光照射，關(guān)閉HMDS原料氣體，將反應(yīng)腔抽真空到10Pa，使基板冷卻至室溫， 得到3C-SiC外延膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速制備3C-SiC外延膜方法，其特征在于使用InGaAlAs多 模二極管激光器，輸出波長為808納米激光照射基板，為3C-SiC薄膜在Si基板上快速生長 提供能量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速制備3C-SiC外延膜方法，其特征在于激光器功率為 150W。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速制備3C-SiC外延膜方法，其特征在于步驟（5)中所述碳 化硅沉積速度為40微米每小時。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速制備3C-SiC外延膜方法，其特征在于步驟（5)中所述基 板溫度為930°C。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速制備3C-SiC外延膜方法，其特征在于步驟（4)中，在薄 膜沉積整個過程中，使用單一安全環(huán)保無腐蝕性的（CH3)3-Si-Si-(CH3) 3(HMDS)為前驅(qū)體， 使用無毒安全的Ar氣體為載流氣，Ar的流速為25sccm。
【文檔編號】C30B29/36GK104152986SQ201410423183
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】涂溶, 孫清云, 章嵩, 張聯(lián)盟 申請人:武漢理工大學(xué)