[发明专利]一种立方碳化硅薄膜的制备方法

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。