一种立方碳化硅薄膜的制备方法

摘要

本发明公开了一种立方碳化硅薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)将单晶硅基板放入冷壁式激光化学气相沉积装置的基板座上，抽真空，并设置基板座温度升至100～900℃；(2)将含HMDS的载流气通入反应器内，HMDS的流量为1～20sccm，调节真空度至10～10kPa；(3)加载连续激光照射硅基板表面，波长750～1150纳米，功率为10～150W，时间为1～10分钟；(4)停止通入含有HMDS的载流气，关闭激光和停止加热，抽真空并自然冷却至室温，即得到立方碳化硅薄膜。本发明制备的立方碳化硅薄膜的面缺陷倾斜于薄膜生长方向生长，相邻缺陷相遇时能够发生“自消亡”现象，从而有效降低了材料中的晶体缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低晶体缺陷的立方碳化硅薄膜的制备方法，属于无机材料结构控制领 域。

背景技术

碳化硅具有禁带宽度大、击穿电压高，适和高温、高功率、高频以及极端辐射环境中应 用，是研制高频率、耐高温、抗辐射半导体微电子器件与电路的理想材料，是重要的第三代 半导体材料。

碳化硅具有多种同质多晶，在垂直于c轴方向上根据原子堆垛次序不同，可以将碳化硅 分为200多种不同的多型体。由于立方碳化硅(3C-SiC)熔点低于硅(硅的熔点为1420℃)， 因此3C-SiC是唯一能在单晶硅基板上生长且性能优异的碳化硅材料。这意味着仅3C-SiC是 有希望获得大尺寸材料的晶型。此外，3C-SiC中的(111)晶面与III-V化合物(如氮化 镓)以及石墨烯之间极好的热膨胀及晶格匹配性，使得以SiC外延膜或晶圆为基板的半导体 器件较之传统的硅或蓝宝石为基板的器件，工作寿命提高10倍以上而能耗减低约三分之 二，由其衍生出的半导体器件具有更广阔的应用前景。

但是，一般化学气相沉积(CVD制备的3C-SiC薄膜晶粒(111)面中的缺陷垂直于薄 膜的生长方向，无法消除，影响了碳化硅薄膜及其相关器件应用的推广。因此，改进立方碳 化硅材料的制备技术显得尤为重要，改进后的技术在制备材料的同时还能够控制材料的显微 结构，并产生某种缺陷消除机制减少材料中晶体缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种立方碳化硅薄膜 的制备方法，沉积速度快，所得碳化硅薄膜的晶体缺陷少，并且碳化硅的晶体缺陷随薄膜的 沉积厚度增加而快速减少。

一种立方碳化硅薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将单晶硅基板放入冷壁式激光化学气相沉积反应器的基板座上，并将真空度调至 10Pa以下，并设置反应器内的加热系统，使基板座温度升至100～900℃；

(2)将含六甲基二硅烷((CH₃)₃-Si-Si-(CH₃)₃，缩写为HMDS)的载流气通入反应器内， HMDS的流量为1～20sccm，调节反应器内的真空度至10～10kPa；

(3)加载连续激光照射硅基板表面，波长750～1150纳米，调节激光功率为 10～150W，其加载激光时间为1～10分钟；

(4)停止通入含有HMDS的载流气，关闭激光和反应器内的加热系统，抽真空，将反 应器内的真空度调至10Pa以下，并自然冷却至室温，即得到沉积在单晶硅基板上的立方碳 化硅薄膜。

按上述方案，所述单晶硅基板可以经过预处理使其表面洁净，单晶硅充分裸露。所述预 处理的方法是：将基板首先置于乙醇中超声处理15分钟，接着置于氨水、双氧水和水的混 合溶液中水浴加热10分钟，然后置于氢氟酸和水的混合溶液中浸泡1分钟，最后用去离子 水洗涤干净即可。其中，氨水、双氧水和水的体积比为1:1:5，此混合溶液的水浴温度设置 为80℃；氢氟酸和水的体积比为1:50。此工艺中所用的氨水为分析纯氨水，NH₃质量分数 为28％；双氧水为分析纯双氧水，H₂O₂＞30％；氢氟酸为分析纯氢氟酸，HF大于40％。

按上述方案，所述载流气为氩气、氢气等。

本发明通过调节运送六甲基二硅烷的载流气流量、通入六甲基二硅烷后沉积碳化硅时基 板表面的温度、加载的激光功率和时间，来控制沉积的立方碳化硅薄膜的厚度与结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，本发明制备的立方碳化硅薄膜的面缺陷倾斜于薄膜生长方向生长，相邻缺陷相遇 时能够发生“自消亡”现象，从而有效降低了材料中的晶体缺陷，并且碳化硅的晶体缺陷随薄 膜的沉积厚度增加而快速减少；

第二，本发明制备立方碳化硅薄膜时，立方碳化硅薄膜的沉积速率快，沉积速度能达到 50μm/min；

第三，本发明所述方法非常节能，激光直接照射硅基板，主要给基板表面局部热能，反 应器其他部位受热较少，降低了能耗。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明实施例1制备的立方碳化硅薄膜的XRD图谱。

图3为本发明实施例1制备的立方碳化硅薄膜横截面的透射电子显微镜(TEM)像。

图4(a)为本发明实施例1制备的立方碳化硅薄膜横截面的透射电子显微镜(TEM) 像，(b)为传统CVD方法制备的碳化硅薄膜的TEM像。

图5中(b)和(d)为制备立方碳化硅薄膜时，碳化硅薄膜生长方向成角度的(111)面缺 陷消失原理图。(b)和(d)分别表示本发明中碳化硅薄膜中有倾斜于薄膜生长方向的反相 畴界(APB)和孪晶界(TB)。图五中(a)和(c)分别表示在一般CVD方法制备的碳化 硅薄膜中，反相畴界(APB)和孪晶界(TB)垂直于薄膜的生长方向；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局 限于下面的实施例。

下述实施例中所述单晶硅基板可以经过预处理使其表面洁净，所述预处理的方法是：将 单晶硅基片切成大小为1cm×2cm，首先在乙醇中超声清洗15分钟，再在温度为80℃的氨 水，双氧水和水的混合溶液中清洗10分钟，然后在氢氟酸水溶液中清洗1分钟，最后用去 离子水冲洗干净即可。其中氨水、双氧水和水的混合溶液中氨水、双氧水和水的比体积比为 1:1:5，氢氟酸水溶液中氢氟酸和水的体积比为1:50。所使用的氨水为分析纯氨水，NH₃质量 分数为28％；双氧水为分析纯双氧水，H₂O₂＞30％；氢氟酸为分析纯氢氟酸，HF大于 40％。

实施例1

一种立方碳化硅薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将单晶硅基板放入冷壁式激光化学气相沉积反应器的基板座上，并将真空度调至 10Pa以下，并设置反应器内的加热系统，使基板座温度升至300℃；

(2)将含六甲基二硅烷(HMDS)的载流气Ar气通入反应器内，HMDS的流量为 3sccm，通过调节真空泵抽气阀使反应器内的真空度为10000Pa；

(3)加载连续激光照射硅基板表面，波长808纳米，调节激光功率为80W，加载激光 时间为10分钟；

(4)停止通入含有HMDS的Ar气，关闭激光和反应器内的加热系统，抽真空，将反 应器内的真空度调至10Pa以下，并自然冷却至室温，即得到沉积在单晶硅基板上的立方碳 化硅薄膜。

由图2可知，本实施例制备的立方碳化硅薄膜进行XRD测试。从图上可以看出，只有 立方碳化硅(111)和(222)的衍射峰，而没有碳化硅其它晶面的衍射峰，结果表明薄膜成 分均为3C-SiC，其(111)晶面平行于基板。

图3为本实施例沉积在单晶硅基板上的立方碳化硅薄膜的透射电子显微镜(TEM)像。 根据图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径d与其距离硅 基板表面的距离h，满足公式d＝h^v，v为0.7，远大于传统CVD法制备的立方碳化硅薄膜 (v值约为0.517)。这表明本发明制备所得碳化硅在生长的过程中晶体缺陷在随着厚度的增 加而快速消失。

图4(a)为本实施例沉积在单晶硅基板上的立方碳化硅薄膜的TEM像，其中，碳化硅 面缺陷倾斜于薄膜的生长方向，(b)为传统CVD方法制备的碳化硅薄膜的TEM像，其碳 化硅面缺陷平行于基板表面。

在传统CVD方法制备的碳化硅薄膜中，反相畴界(APB)和孪晶界(TB)垂直于薄膜 的生长方向，如图5(a)和(c)所示，其相互平行的APB或TB很难相遇而消失。相反 地，在本发明中，薄膜中有倾斜于薄膜生长方向的APB，如图5(b)所示，这种APB可以 随着薄膜的生长而和相邻的APB相遇，最后相互湮灭；TB也有类似的情况，如图5(d) 所示。

实施例2

一种立方碳化硅薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将单晶硅基板放入冷壁式激光化学气相沉积反应器的基板座上，并将真空度调至 10Pa以下，并设置反应器内的加热系统，使基板座温度升至600℃；

(2)将含六甲基二硅烷(HMDS)的载流气Ar气通入反应器内，HMDS的流量为 10sccm，调节反应器内的真空度为1000Pa；

(3)加载连续激光照射硅基板表面，波长1080纳米，调节激光功率为20W，加载激 光时间为3分钟；

(4)停止通入含有HMDS的H₂，关闭激光和反应器内的加热系统，抽真空，将反应 器内的真空度调至10Pa以下，并自然冷却至室温，即得到沉积在单晶硅基板上的立方碳化 硅薄膜。

本实施例制备的立方碳化硅薄膜成分为3C-SiC，其(111)晶面平行于基板。

实施例3

一种立方碳化硅薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将单晶硅基板放入冷壁式激光化学气相沉积反应器的基板座上，并将真空度调至 10Pa以下，并设置反应器内的加热系统，使基板座温度升至900℃；

(2)将含六甲基二硅烷(HMDS)的载流气H₂通入反应器内，HMDS的流量为 18sccm，调节反应器内的真空度为100Pa；

(3)加载连续激光照射硅基板表面，激光波长为1080纳米，调节激光功率为150W， 加载激光时间为1分钟；

(4)停止通入含有HMDS的载流气H₂，关闭激光和反应器内的加热系统，抽真空， 将反应器内的真空度调至10Pa以下，并自然冷却至室温，即得到沉积在单晶硅基板上的立 方碳化硅薄膜。

本实施例制备的立方碳化硅薄膜成分为3C-SiC，其(111)晶面平行于基板。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说 明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种修改和变化，凡在本发明的精神和原则 内所做的任何修改，等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围内。