[发明专利]一种碳化硅薄膜成型装置与碳化硅薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅(SiC)薄膜，尤其是涉及一种碳化硅薄膜成型装置以及利用先驱体转化法制备碳化硅薄膜的方法。

背景技术

SiC薄膜是一种共价键性极强的化合物，在高温状态下仍可保持较高的键合强度，具有高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀和电磁波吸收等特性，它是一种导热性好、热膨胀系数小和热稳定性好的陶瓷，可用作高耐热、耐氧化材料和聚合物基、金属基及陶瓷基复合材料的高性能增强体。SiC薄膜被认为是一种很优异的高温结构材料和耐火材料，除用作耐磨镀层外，还可用作薄膜热敏电阻器、光电子学和高温半导体器件，以及聚变堆的第一壁材料。另外，SiC薄膜作为一种极具发展潜力和广泛应用前景的重要的第三代宽带隙半导体材料，由于其具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率和高载流子漂移速度等特点，因此在高温、高频、大功率以及抗辐射等方面的应用潜力而得到雷达、航空、航天等领域和光电子、微电子行业的重视，但是迟迟不能在工业上大规模应用，其主要原因是一方面薄膜生长设备落后、工艺不成熟、SiC薄膜材料的制备困难等，薄膜质量始终达不到器件要求，目前还没有取得突破性进展。同时在器件制作上与现在已经成熟的硅器件制作工艺不兼容。

SiC薄膜的制备技术有多种，如物理气相输运(PVT)、化学气相沉积(CVD)、液相外延生长(LPE)和分子束外延法(MBE)等。随着化学气相沉积技术的不断成熟，CVD方法已经广泛地应用于SiC薄膜材料的生长，CVD生长技术的优势在于容易获得均匀平整的表面以及对外延层中的掺杂浓度可以控制，用CVD法制备的SiC膜的晶体结构和硬度与基材的温度密切相关，为了得到高质量的单晶膜，基体反应温度应保持在1000～1500℃。但CVD法的最大缺陷是成本高、价格贵，所得薄膜匹配性差、厚度粗、难以编织。

中国科学院半导体研究所陈诺夫等(中国专利CN1594648A)发明了一种采用磁控溅射方法制备SiC薄膜的工艺，包括如下步骤：(1)选择硅(Si)单晶为衬底材料，选择SiC为靶材；(2)将Si单晶衬底材料送入磁控溅射仪；(3)加温，生长SiC薄膜；(4)退火；(5)完成制备SiC薄膜工艺。但该方法在控制生长温度、工作气体的成分、压力等参数方面具有很大困难，同样成本也较高，价格贵。

美国卡斯西部储备大学M·梅雷加尼等(中国专利CN1906735A)发明了一种沉积SiC和陶瓷薄膜的方法，公开了在基材上沉积陶瓷薄膜，特别是SiC薄膜的方法，其中残余应力、残余应力梯度和电阻率得到控制。还公开了具有沉积的薄膜的基材，所述薄膜具有上述这些可控制的性能。日本驹田大辅等(中国专利CN02106299.4)发明了一种制造具有SiC膜的半导体器件的方法，采用了可以很容易地去除蚀刻阻止膜或SiC制成的硬掩膜的工艺。其具体的方法是，在半导体衬底上形成第一膜，第一膜由蚀刻抗力不同于SiC的绝缘材料制成。在第一膜上形成由加氢的SiC制成的第二膜。在第二膜上形成具有开口的光刻胶膜。通过以光刻胶掩膜作为蚀刻掩膜，并使用添加SF和NF₃中的至少一个的碳氟化合物气体的混合气体，对第二膜进行干蚀刻；并且使用第二膜作为掩膜对第一膜进行蚀刻。但是这两种方法均借助基材进行沉积SiC薄膜，存在晶格失配和热膨胀系数失配等问题，因此形成的薄膜中常存在大量失配应力引起的缺陷，无法得到很好的自由SiC薄膜。

SiC薄膜被认为是比较有潜力的能够应用于高温、高压等极端条件下的第三代半导体材料，但是由于SiC薄膜的制备与器件的加工存在不少困难，并且成本过高，其应用始终受到限制。

先驱体转化法是陶瓷材料制备领域具有哲学意义的一次变革，也是近年来占据统治地位的一种制备方法，它以有机金属聚合物为先驱体，利用其可溶可熔等特性成型后，经高温热分解处理使之从有机物变为无机陶瓷材料。自1975年日本东北大学的矢岛圣使(Yajima)教授等人(Yajima S，Okamura K，Hayashi J.Structural analysis in continuous silicon carbide fiber ofhigh tensile strength[J].Chem Lett.，1975(12)：1209-1212.)开创先驱体转化法制备连续SiC纤维技术以来，该技术以其优异的实用性和可设计性而成为当今连续纤维制备领域的研究热点，而通过此方法来制备SiC薄膜，使得薄膜更具有优异的性能，且成产工艺简单，成本低，可制作成高温、高频、大功率、耐辐射等极端器件以及SiC集成电路、传感器等极端环境下工作核心器件等。目前国内外还未见有用先驱体转化法与熔融纺膜相结合制备SiC薄膜的技术先例。