单晶碳化硅薄膜的制造方法及制造设备

摘要

一种制造单晶碳化硅薄膜的设备，包括适于接受成膜用的SOI基材100的成膜室200、向成膜室200提供制造单晶碳化硅薄膜所需的各种气体G1－G4的供气装置300、用于处理供给成膜室200的作为惰性气体G1的氩气、作为烃基气体G2的丙烷气体、作为载气G3的氢气和氧气G4的气体处理装置500和控制成膜室200温度的温控装置400。

说明书

发明领域

本发明涉及一种单晶碳化硅制造方法以及制造设备。

现有技术

由于单晶碳化硅(SiC)不仅具有优良的热稳定性和化学稳定性，而且机械强度和耐射线辐射性优良，作为用于下一代半导体器件材料的氮化镓外延生长用的基材以及光发射器件的基材，一直引起人们的注意。

对这样的单晶碳化硅薄膜的制造方法，有使用碳化硅晶种的升华重结晶法、等离子体CVD法等成为主要方法。

然而，传统的升华重结晶法除了必须有高纯度碳化硅晶种外还要求在1700℃左右的超高温过程。而在等离子体CVD法中，要求成膜室在成膜过程中保持高真空。即，两种方法在成本和时间上都存在相当的问题。而且，这些传统方法很难满足制造大直径的要求。

本发明考虑上述情况，目的是提供能经济和方便制造单晶碳化硅薄膜的方法以及制造设备。

发明内容

本发明的单晶碳化硅薄膜制造方法是，通过在成膜室固定用于成膜的SOI(绝缘体上硅(silicon-on-insulator))基材并将成膜室的温度升高至1200-1405℃，同时通入氢气还通入烃基气体进行化学反应，烃气体与氢气的比例保持在1-5％(体积)，将在成膜用的SOI基材表面的硅层转变为单晶碳化硅薄膜。

本发明制造单晶碳化硅的设备包括适于接受成膜用的SOI基材的成膜室、向成膜室提供制造单晶碳化硅薄膜所需的各种气体的供气装置、处理供给成膜室气体的气体处理装置、和控制成膜室温度的温控装置。

附图简述

图1是根据本发明实施方案的单晶碳化硅薄膜制造设备的示意图。其中的编号代表下列部件。

     100         用于成膜的SOI基材

     200         成膜室

     300         供气装置

     400         温控装置

     500         气体处理装置

实施本发明的最佳方式

图1是根据本发明实施方案制造单晶碳化硅薄膜设备的示意图。

本发明制造单晶碳化硅薄膜的设备包括适于接受成膜用的SOI基材100的成膜室200、向成膜室200提供制造单晶碳化硅薄膜所需的各种气体G1-G4的供气装置300、处理供给成膜室200气体G1-G4的气体处理装置500、和控制成膜室200温度的温控装置400。

成膜室200由碳化硅构成，在其内部有一基材固定器210，适于固定成膜用的SOI基材。基材固定器210也是由碳化硅构成。

作为温控制装置400的加热器设置在成膜室200的周围。向加热器提供电能，来控制成膜室200内部的室温。

构成供气装置300的部分的供气管310连接到成膜室200。供气管310连接到四个气体钢瓶320A、320B、320C和320D，构成供气装置300的几个部分。供气管310配备有切换阀330，以切换供给成膜室200的气体。气体钢瓶320A充入氩气作为惰性气体G1，气体钢瓶320B充入丙烷气体作为烃基气体G2，气体钢瓶320C充入氢气作为载气G3，而气体钢瓶320D充入氧气G4。

构成气体处理装置500的一部分的气体排放管510在上述成膜室200中形成。在气体排放管510中设置为气体处理装置500的结构单元的燃烧器520。排放的气体由燃烧器520燃烧，因此可安全地进行处理。

在供气管310和排放气体管510之间安装上述基材固定器210，使用于成膜的SOI基材100确实暴露在供给成膜室200的气体中。

由这样方式构造的单晶碳化硅薄膜制造设备来制造单晶碳化硅薄膜的方法如下。

即，单晶碳化硅薄膜制造方法是，通过将用于成膜的SOI基材100固定在成膜室200，提高成膜室200的温度至1270℃，同时通入作为载气G3的氢气和作为烃基气体G2的烃基气体，G2与G3的比例为1％(体积)，将在上述用于成膜的SOI基材100表面上的硅层转变为单晶碳化硅薄膜。

例如，如果作为载气G3的氢气供给量为1000毫升/分钟，作为烃基气体G2的丙烷供给量为10毫升/分钟。

作为载气G3的氢气和作为烃基气体G2的丙烷气体通过上述气体供应管310通入成膜室200内部，并通过气体排放管510通入燃烧器520进行燃烧。结果，防止作为载气G3的氢气和作为烃基气体G2的丙烷气体从成膜室200排出。

当成膜室内部室温提高到1270℃时，而作为烃基气体G2的丙烷气体供给成膜室200，在SOI基材100表面上形成极薄和低温碳化硅缓冲层，直到成膜室200内部室温达到1270℃。

加热期间形成薄的低温碳化硅缓冲层之后，成膜室200内部室温达到1270℃。此时，用于成膜的SOI基材100表面上的硅和通过作为烃基气体G2的丙烷气体分解产生的碳反应，形成单晶碳化硅薄膜。

通过上述薄的低温碳化硅缓冲层的生长，可改善了单晶碳化硅薄膜形成之后的用于成膜的SOI基材100的表面粗糙度。

如果形成上述单晶碳化硅薄膜的反应进行足够的时间，用于成膜的SOI基材100表面上的硅层完全转变为单晶碳化硅薄膜。上述反应是否进行得充分，可根据反应后供给SOI基材100表面的过量碳是否沉积为薄膜(碳薄膜)而确定。

此时，通过下面的方法除去用于成膜的SOI基材100表面上沉积的过量碳薄膜。

即，上述反应之后，在成膜室200内，作为烃基气体G2的丙烷气体和作为载气G3的氢气被作为惰性气体G1的氩气取代，同时使用于成膜的SOI基材100冷却。这种情况下，通过切换供气装置300的切换阀330，停止向成膜室200供应作为烃基气体G2的丙烷气体和作为载气G3的氢气，但同时供应作为惰性气体G1的氩气。当用于成膜的SOI基材100温度下降到约650℃时，氧气G4以预定比例和作为惰性气体G1的氩气混合，对碳薄膜进行蚀刻。进行碳薄膜蚀刻期间，用于成膜的SOI基材100温度保持在约650℃。

更具体而言，如果氧气G4的供给量为100毫升/分钟，作为惰性气体G1的氩气供应量为1000毫升/分钟。而且在约650℃的加热时间为几分钟至几小时。

保持这样的条件，在用于成膜的SOI基材100表面上的碳薄膜发生化学反应；；转变为二氧化碳气体。二氧化碳气体通过排放管510从成膜室200排出。

一旦完成上述反应，即用于成膜的SOI基材100表面上的碳薄膜化学反应转变为二氧化碳气体，就停止供应氧气G4，在作为惰性气体G1的氩气气氛下进行冷却。

上述冷却过程中，通过使用氧气G4进行蚀刻，可以除去在用于成膜的SOI基材100表面上形成的碳薄膜，因此，过量的碳薄膜可在一系列步骤中除去。

上述实施方案中，制造的单晶碳化硅薄膜厚度等于在用于成膜的SOI基材100表面上的硅层厚度。因此，通过控制在用于成膜的SOI基材100表面上的硅层厚度，能高精度地获得任意厚度的单晶碳化硅薄膜。

在上述实施方案中，氩气用作惰性气体G1，但是可以使用其它惰性气体。不过从成本考虑，目前氩气具有最经济易得的优点。将惰性气体G1供给成膜室200时，由于在用于成膜的SOI基材100表面上已经形成单晶碳化硅薄膜，不必考虑由于氩气中包含的杂质产生的凹坑，因此，不要求使用的惰性气体G1为高成本高纯度，结果在大量生产的情况下具有成本优势。

而且，尽管使用丙烷气体作为烃基气体G2，可以使用其它烃基气体如甲烷气体、乙烯气体、丁烷气体等。从成本考虑，目前丙烷气体具有最经济易得的优点。与甲烷气体和乙烯气体相比，丙烷气体碳原子含量高，从制造单晶碳化硅薄膜的效率考虑为最好。

尽管在通入烃基气体G2同时调节与作为载气G3的氢气的比例为1％(体积)，由于成膜室的内部室温提高到1270℃，由实验确定通入的烃基气体G2与作为载气G3的比例范围在1-5％(体积)，并且成膜室的内部室温可提高到1200-1405℃。

发明效果

本发明的单晶碳化硅薄膜制造方法是，通过将用于成膜的SOI基材固定在成膜室并且提高该室内部的室温至1200-1405℃，同时通入氢气和烃基气体，并保持烃基气体与氢气比例为1-5％(体积)下进行化学反应，将在用于成膜的SOI基材表面上的硅层转变为单晶碳化硅薄膜。

和常规方法不同，根据这种制造方法可以制造单晶碳化硅薄膜，不要求成膜室内部为真空状态。因此，通过这种制造单晶碳化硅薄膜的方法，可以简化制造步骤，因此该方法有助于成本下降。而且，和常规的成膜不同，不必制备碳化硅晶种，能够使用现有的SOI基材，因此这种方法能有助于扩大直径并且降低成本。

通过将该化学反应进行至过度，使碳薄膜沉积在所获得的单晶碳化硅薄膜上，在用于成膜的SOI基材表面上的硅与分解作为烃基气体的丙烷气体产生的碳反应，并由此判断单晶碳化硅薄膜是否形成，而且可以通过在惰性气体和氧气以预定比例混合的气氛中加热用于成膜的SOI基材至550℃或更高温度进行蚀刻，来除去碳薄膜。

以这种方式，在冷却用于成膜的SOI基材的过程中，沉积在单晶碳化硅薄膜上的过量碳薄膜通过蚀刻被除去。因此，尤其对于碳薄膜不用增加特殊的除去步骤，就可除去过量的碳薄膜。

而且，本发明制造单晶碳化硅薄膜的设备包括适于接受成膜用的SOI基材的成膜室、向成膜室提供制造单晶碳化硅薄膜所需的各种气体的供气装置、用于处理供给成膜室的气体的气体处理装置、控制成膜室温度的温控装置。

因此，这种制造单晶碳化硅薄膜的设备能够方便地实施上述单晶碳化硅薄膜的制造方法。而且，由于该设备包括气体处理装置，因此能够安全处理废气。